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1、MEMS光开关的研究及市场分析MEMS光开关的研究及市场分析集成电路专业学年论文 论文题目: MEMS光开关的研究及市场分析 学 院: 电子工程学院 年 级: 2008级 专 业: 集成电路设计与集成系统 姓 名: 刘欣 学 号: 20083410 指导教师: 窦雁巍 2011年 7月 2日 摘要 光开关是光通信网络的重要功能器件,MEMS光开关是最具发展前景的光开关之一。在简介不同种类光开关原理特点的基础上，详细分析了当前主要的MEMS光开关的分类、结构、工艺与性能特点，并给出了研究与发展情况和采用MEMS体硅工艺制作的三种结构的微机械光开关。它们的工作原理都基于硅数字微镜技术。这三种光开关

2、采用了静电力驱动，具有较低的驱动电压。在硅基上制作了光纤自对准耦合槽，并对光开关的开关特性进行了计算机模拟与分析，并进行结果分析。 关键词 微机械;光开关;开关阵列;微镜;硅-玻璃键合;光纤通信 I Abstract Optical switch is an important functional device in optical fibre communication networks, MEMS optical switch is one of the most promiseful optical switches. This paper introduces basic princ

3、iples and characters of several kinds of optical switches, and illustrates the classification, structures, fabrication methods and functional characters of current MEMS optical switch in details. And recent development and progress on this research area are presented and three kinds of MEMS optical

4、switches with different mechanical structures are produced by the bulk-micromachining processes. Their principles of operation are all based on silicon digital micro mirrors technology. The electrostatic actuators with low driving voltage are used in the three kinds of optical switch. The grooves us

5、ed for optical fibers being self-aligned coupling are made on silicon substrate for device. Computer simulation and analysis of on-off characteristic show that the second and the third optical switches have switching time. Key words MEMS; optical switch; switch array; micro mirror; silicon-on-glass

6、bonding;optical fiber communication II 摘要 . I Abstract . II 前言 . 3 第一章 光开关的种类. 4 1.1 物理效应光开关 . 4 1.1.1 固态波导光开关 . 4 1.1.2 液晶光开关 . 4 1.1.3 热光开关 . 4 1.1.4 全息光栅开关 . 5 1.2 微机械光开关. 5 1.2.1 光路遮挡型MEMS光开关 . 6 1.2.2移动光纤对接型MEMS光开关 . 6 1.3微镜发射型MEMS光开关 . 7 1.3.1弹出式微镜光开关 . 8 1.3.2扭转式微镜光开关 . 9 1.3.3滑动式微镜光开关 . 10 1

7、.3.4三维阵列光开关 . 11 第二章 微机械光开关的原理、设计与分析 . 14 2.1 MEMS光开关的工作原理 . 14 2.1.1 水平驱动2D光开关 . 14 2.1.2 垂直驱动2D光开关 . 14 2.1.3 扭摆驱动2D、3D光开关 . 15 2.1.4 2D与3D耦合方式 . 15 2.2 分析与设计 . 16 2.2.1 水平驱动2D光开关 . 16 2.2.2 垂直驱动2D光开关 . 17 2.2.3 扭摆驱动2D、3D光开关 . 18 2.3 实验 . 19 2.3.1 水平驱动2D光开关 . 19 2.3.2 垂直驱动与扭摆驱动2D、3D光开关 . 19 2.3.3

8、测试 . 20 第三章 MEMS光开关的控制 . 22 3.1 MEMS光开关控制原理 . 22 3.1.1 MEMS光开关简介 . 22 3.1.2 控制原理与过程 . 22 3.2 控制系统设计. 23 3.2.1 硬件设计方案 . 23 3.2.2 软件设计方案 . 24 第四章 光开关的市场分析 . 26 4.1 光开关的技术优势 . 26 4.2 国内外的技术现状 . 27 4.2.1 国内情况 . 27 4.2.2 国外情况 . 28 4.3 发展动态 .28 4.4 市场潜力 . 30 结论 . 31 参考文献 . 32 学年论文题目,五号楷体居中书写, 前言 光纤通信技术的问世

9、和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85%的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。光交叉互连(OXC) 技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。在众多种类的光开关中，微机械(MEMS)光开关被认为最有可能成为光开关的主流器件。本文在概述多种光开关原理特点的基础上，重点收集与分析了国外研制的几种主要的MEMS光开关，并阐述了各自的结构与

10、性能特点。 光开关是宽带光纤通讯系统中的重要器件，而基于微机电系统(MEMS)技术加工的二维阵列光开关更是一种很有前景的器件。这种二维阵列光开关在平面上布置有NN个微镜，每个微镜具有切入光路(反射)和离开光路两种位置状态。光开关与两组N根光纤相连，分别作为入射端和出射端。当微镜(i，j)位于反射位置时，由第i根光纤入射的光束经过微镜反射后由第j根光纤射出，从而实现光路的选择。 3 学年论文题目,五号楷体居中书写, 第一章 光开关的种类 虽然光开关的历史并不悠久，但随着科学技术的发展，人们研究开发了多种基于不同材料和不同原理的光开关。 1.1 物理效应光开关 物理效应光开关发展已比较成熟，可分为

11、移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。传统的机械式光开关插入损耗较低(?2dB);隔离度高(45dB);不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。物理效应光开关以做成成品，国内外公司均有各自的产品。 1.1.1 固态波导光开关 固态波导光开关是利用波导的热光、磁光效应来改变波导性质，从而实现开关动作的一种器件。它的开关速度在微秒到亚毫秒量级，体积小且易于集成为大规模的阵列，但插入损耗、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差。 1.1.2 液晶光开关 液晶光开关通过电场

12、控制液晶分子的方向实现开关功能，适用于中等规模的开关阵列。目前液晶光开关的最大端口数为80，消光比可高达40-50dB，通过加热液晶可以使开关速度达到毫秒级，但也会使设备功耗增加。另外，由于在液晶中光被分成偏振方向不同的两束光，最后再合起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插入损耗，因此这种光开关的插损指标难以提高。 1.1.3 热光开关 热光开关是利用热光技术制造的小光开关。目前主要有两种类型的热光开关，干涉式光开关和数字光开关(DOS)。干涉式光开关结构紧凑，但由于对光波长敏感，需要进行温度控制;数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持稳定的状4 学年论文题目,五号楷体

13、居中书写, 态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功率小，消光比可达20dB，但插入损耗较大，一般为3-4dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器，并利用聚合物进行规模生产。热光开关的缺点为响应时间较长，因此开关速度受到限制。 1.1.4全息光栅开关 全息光栅开关依靠布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口;反之，光就直接通过晶体。利用该技术可以容易地组成上千端口的光交换系统，且开关速度快，为纳秒量级，但器件的功耗较大并需要高压供电。 MEMS光开关通过静电或其他控

14、制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光的传播方向、实现开关功能。MEMS光开关具有制作成本低、加工工艺多样化、系统单片集成化等诸多优点，各项性能足以满足DWDM全光网的技术要求， 因此MEMS光开关显示出良好的开发应用前景。 除上述光开关外，人们还研究过马赫-曾德干涉仪开关，声光、喷墨气泡光开关及半导体光放大器(SOA)光开关等。 1.2 微机械光开关 MEMS光开关既有机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。同时MEMS光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，与未来光网络发展所要求的透明

15、性和可扩展等趋势相符合，因此，MEMS光开关极可能在光网络中成为光开关的最佳选择。 MEMS光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动;梳状静电驱动器驱动;电致、磁致伸缩驱动;形变记忆合金驱动;光功率驱动;热驱动等。MEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料;Au、Al等金属材料;压电材料及有机聚合物等其他材料。MEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺，表面工艺和LIGA工艺。 MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。 5 学年论文题目,五号楷体居中书写, 1.2.1 光路遮挡型MEMS光开关 具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂

16、梁式光开关。图1为朗讯公司研制的光驱动微机械光开关,1,，整个器件尺寸约1-2mm，材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并由体硅工艺加工出悬臂梁。它利用8个多晶硅PiN电池(一种非晶硅太阳电池)串联组成光发电机，在光信号的作用下，产生3V电压，电容板受到电场力吸引，将遮片升起，光开关处于开通状态，如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。该开关由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的。该光开关驱动光功率仅2.7W， 传输距离达128km，开关速度3.7ms，插损小于0.5dB。但串扰比较大，隔离度不高。一般用于组成光纤线路倒换系统。 图1 朗讯公司研制的光路遮挡型光开关 1.2.2 移

17、动光纤对接型MEMS光开关 图2所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关【2】，由美国加州大学戴维斯分校研制。它是一个1*4光开关，利用光纤的移动和对准实现光信号的切换，插入损耗大约为1dB。与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或LIGA工艺，制造结构和制备方法较为简单，可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时几乎不耗能，缺点是开关速度较低，大约为10ms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。 6 学年论文题目,五号楷体居中书写, 图2 加州大学研制的移动光纤对接型光开关示意图 1.3微镜发射型MEMS光开关 相对于移动光纤对接的方法，利用微镜反射原理的

18、光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列。根据组成OXC矩阵的方法，可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。 在二维(2D)也称数字方式中，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态(开或关)。通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。2一个N*N的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是32*32端口，多个器件可